芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)不同提取工藝的研究

杜喜玲

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030）

0 引言

芥末是以芥菜種子供食用，有很強(qiáng)的辛辣風(fēng)味，具有抗菌殺蟲(chóng)、抗癌、血栓預(yù)防、增進(jìn)食欲、抗氧化等功能，在很多食品及食品行業(yè)中應(yīng)用，如生魚(yú)片涂膜芥末食用、醬油防腐、果蔬保鮮等都有應(yīng)用[1-3]。芥末獨(dú)特的辛辣風(fēng)味是植物細(xì)胞遭破壞時(shí)，在一定的外界條件下由內(nèi)源性黑芥子苷酶催化母體硫葡糖苷產(chǎn)生易揮發(fā)且具有強(qiáng)烈刺激辛辣風(fēng)味的異硫氰酸酯物質(zhì)而引起的，這種物質(zhì)不僅是芥末辛辣風(fēng)味的來(lái)源，也是十字花科植物的特殊風(fēng)味來(lái)源[4-7]。芥末植物組織破碎后在一定的溫度和濕度下硫葡糖苷由其共存的酶的催化水解而產(chǎn)生一系列產(chǎn)物。

硫葡糖苷酶水解途徑見(jiàn)圖1。

圖1 硫葡糖苷酶水解途徑

目前，風(fēng)味物質(zhì)的提取主要有水提法、有機(jī)溶劑提取法、同時(shí)蒸餾萃取法、超臨界流體萃取法、頂空固相微萃取法及微波輔助提取法等[8]。研究采用水蒸氣蒸餾法與同時(shí)蒸餾萃取法提取芥末中的辛辣風(fēng)味物質(zhì)，以提取率的高低考查2種方法提取效果，同時(shí)采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與試劑

芥末，購(gòu)自市場(chǎng)或超市。

試劑：二氯甲烷、無(wú)水硫酸鈉、鄰苯二甲酸氫鉀、氫氧化鈉、抗壞血酸等。

1.1.2 儀器與設(shè)備

水蒸氣蒸餾裝置；真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海申勝生物技術(shù)有限公司產(chǎn)品；同時(shí)蒸餾萃取裝置；HH-4型電子恒溫水浴鍋，金壇市富華儀器有限公司產(chǎn)品；DHG-9245A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、DHg-9070A型真空干燥箱，上海一恒科技有限公司產(chǎn)品；A-88型組織搗碎勻漿機(jī)，江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠產(chǎn)品；BT124S型電子分析天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司產(chǎn)品。

1.2 方法

1.2.1 水蒸氣蒸餾法（WSD）[9-10]

稱取合適的芥末物質(zhì)用水蒸氣蒸餾法提取，以芥末精油提取率為指標(biāo)，考查了原料用量、緩沖溶液體積、蒸餾時(shí)間對(duì)提取率的影響，通過(guò)單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)確定影響芥末提取率的因素及其最佳提取工藝[4，8]。根據(jù)辣根中硫苷最佳水解條件，采用如下工藝流程：

取樣100 g→打漿→pH值4.2緩沖溶液300 mL→10 mg/mL抗壞血酸10 mL→具塞65℃水解2 h→蒸餾2 h→二氯甲烷萃取溜出物20 mL/次，萃取3次→合并萃取液→無(wú)水NaSO4除水→真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器→少量萃取液轉(zhuǎn)移至容量瓶在60℃下水浴除去剩余二氯甲烷→得到無(wú)色至淡黃色的油狀辛辣風(fēng)味物質(zhì)，即芥末精油。根據(jù)容量瓶前后質(zhì)量差即可求出芥末精油的質(zhì)量，進(jìn)而求得芥末精油的提取率。

通過(guò)單因素試驗(yàn)，確定了山葵原料用量、緩沖溶液體積、蒸餾時(shí)間為提取率的影響因素，采用正交設(shè)計(jì)法對(duì)原料用量、緩沖溶液體積、蒸餾時(shí)間進(jìn)行正交試驗(yàn)，以山葵精油得率為指標(biāo)，選用正交表L9（34）設(shè)計(jì)三因素三水平9個(gè)試驗(yàn)[9]。

WSD因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 WSD因素與水平設(shè)計(jì)

1.2.2 同時(shí)蒸餾萃取法（SDE）[9-11]

將100 g芥末置于500 mL圓底燒瓶中，蒸餾水300 mL，接至同時(shí)蒸餾萃取裝置（SDE）的一端，溫度控制在100～105℃保持沸騰；另取二氯甲烷50 mL于500 mL圓底燒瓶中，接至SDE裝置的另一端，以恒溫水浴加熱，溫度控制在60℃，持續(xù)蒸餾萃取2 h。二氯甲烷萃取液加無(wú)水硫酸鈉干燥過(guò)濾到容量瓶，然后水浴除去二氯甲烷得到無(wú)色至淡黃色的油狀液體，根據(jù)容量瓶前后質(zhì)量差求出芥末精油的質(zhì)量，進(jìn)而求得芥末精油的提取率[12-14]。

稱取合適的芥末物質(zhì)用同時(shí)蒸餾萃取法提取，以芥末精油提取率為指標(biāo)，考查了水解時(shí)間、水解溫度、pH值、抗壞血酸質(zhì)量濃度、蒸餾時(shí)間對(duì)提取率的影響，通過(guò)單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)確定影響芥末提取率的因素及最佳提取工藝。

通過(guò)單因素試驗(yàn)確定了水解時(shí)間、水解溫度、抗壞血酸質(zhì)量濃度、pH值、蒸餾時(shí)間對(duì)提取率的影響，采用正交設(shè)計(jì)法對(duì)水解時(shí)間、水解溫度、pH值、抗壞血酸質(zhì)量濃度、蒸餾時(shí)間進(jìn)行正交試驗(yàn)，以山葵精油得率為指標(biāo)，選用正交表L16（45），設(shè)計(jì)五因素四水平16個(gè)試驗(yàn)[9]。

SDE因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 SDE因素與水平設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 水蒸氣提取芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)法結(jié)果與分析

2.1.1 原料用量對(duì)芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)提取率的影響

原料用量對(duì)提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 原料用量對(duì)提取率的影響結(jié)果

從圖2可看出，原料用量對(duì)提取率的影響呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在原料用量100 g時(shí)提取率最高為0.054%，之后隨著原料用量的增加提取率下降，這主要是因?yàn)樵诰彌_溶液體積與蒸餾時(shí)間一定的情況下，隨著原料用量的增加，生成的芥末精油越來(lái)越多，提取率上升，但原料用量達(dá)到一定程度后再增加用量就會(huì)導(dǎo)致芥末中的硫葡糖苷不能在黑芥子酶的作用下充分水解產(chǎn)生所需的芥末精油，這樣就導(dǎo)致芥末精油的提取率越來(lái)越低。

2.1.2 緩沖溶液體積對(duì)提取率的影響

緩沖溶液體積對(duì)提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 緩沖溶液體積對(duì)提取率的影響結(jié)果

從圖3可看出，緩沖溶液體積對(duì)提取率的影響呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)沒(méi)有上升趨勢(shì)明顯，當(dāng)緩沖溶液體積為300 mL時(shí)提取率最高為0.057%，這主要是因?yàn)殡S著緩沖溶液體積的增加，芥末中的硫葡糖苷酶解越充分，提取率就越高，但隨著緩沖溶液體積的增加芥末酶解產(chǎn)物就會(huì)發(fā)生部分降解，但降解緩慢，從而導(dǎo)致提取率緩慢降低。

2.1.3 蒸餾時(shí)間對(duì)提取率的影響

蒸餾時(shí)間對(duì)提取率的影響見(jiàn)圖4。

圖4 蒸餾時(shí)間對(duì)提取率的影響

從圖4可看出，蒸餾時(shí)間對(duì)提取率的影響呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在蒸餾2 h時(shí)提取率最高為0.056%，之后隨著蒸餾時(shí)間的增加提取率降低，這主要是因?yàn)榱蚱咸擒彰附猱a(chǎn)生的辛辣風(fēng)味物質(zhì)異硫氰酸酯隨著蒸餾時(shí)間的增加逐漸降解的結(jié)果。

2.1.4 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用三因素三水平進(jìn)行正交設(shè)計(jì)。

實(shí)施方案與結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可看出，正交試驗(yàn)的提取率在0.022%～0.055%，提取率不太高，可能原因除了試驗(yàn)過(guò)程的損失外，還與芥末精油生成條件及異硫氰酸酯易降解等多種原因有關(guān)[4，11]。通過(guò)正交試驗(yàn)極差分析可看出，3個(gè)因素對(duì)芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)的影響大小不同，其中緩沖溶液體積影響較大，蒸餾時(shí)間影響最小。

表3 實(shí)施方案與結(jié)果

2.2 同時(shí)蒸餾萃取法結(jié)果與分析

2.2.1 水解時(shí)間對(duì)芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)提取率的影響

水解時(shí)間對(duì)提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 水解時(shí)間對(duì)提取率的影響結(jié)果

從圖5可看出，水解2 h的提取率最高為0.19%，水解時(shí)間對(duì)提取率的影響呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，但升高趨勢(shì)高于降低趨勢(shì)，隨著水解時(shí)間的延長(zhǎng)，提取率平緩降低，這主要是因?yàn)槠鸪踅婺┝蚱咸擒赵诿傅淖饔孟滤饧涌靃4-5]，隨著水解時(shí)間的延長(zhǎng)，生成的異硫氰酸酯就越來(lái)越多，因此提取率就增加，但隨著水解時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，生成的異硫氰酸酯在水的作用下就會(huì)發(fā)生緩慢降解，從而導(dǎo)致異硫氰酸酯不斷減少，提取率就會(huì)越來(lái)越少。

2.2.2 水解溫度對(duì)芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)提取率的影響

水解溫度對(duì)提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 水解溫度對(duì)提取率的影響結(jié)果

從圖6可看出，水解溫度在60℃時(shí)提取率最高0.18%，水解溫度對(duì)提取率的影響呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，升高降低趨勢(shì)都比較迅速，這主要是芥末中的硫葡糖苷酶受溫度影響較大，每種酶都有一個(gè)最適的活性溫度；芥末酶解產(chǎn)生的主要辛辣物質(zhì)異硫氰酸酯也受溫度影響較大，隨著溫度不斷升高，異硫氰酸酯的降解也會(huì)加快，提取率降低[4，11]。

2.2.3 pH值對(duì)芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)提取率的影響

pH值對(duì)提取率的影響見(jiàn)圖7。

圖7 p H值對(duì)提取率的影響

從圖7可看出，pH值對(duì)提取率的影響呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，pH值在4～5時(shí)提取率比較高；pH值5時(shí)，提取率是0.175%；pH值〉6時(shí)提取率逐漸減少。由此可見(jiàn)，酸性條件有利于山葵精油的提取[8]，這是因?yàn)椴煌参锖械暮诮孀榆彰高m宜的pH值范圍不同。

2.2.4 抗壞血酸質(zhì)量濃度對(duì)芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)提取率的影響

抗壞血酸質(zhì)量濃度對(duì)提取率的影響見(jiàn)圖8。

圖8 抗壞血酸質(zhì)量濃度對(duì)提取率的影響

從圖8可看出，抗壞血酸質(zhì)量濃度對(duì)提取率影響呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在抗壞血酸質(zhì)量濃度為10 mg/mL時(shí)提取率最高為0.19%，之后隨著抗壞血酸濃度的增加，提取率反而減少，這主要是因?yàn)橐欢ㄙ|(zhì)量濃度的抗壞血酸對(duì)黑芥子苷酶的活性有激活作用，但不同質(zhì)量濃度的抗壞血酸對(duì)黑芥子苷酶活性的激活作用不同。

2.2.5 蒸餾時(shí)間對(duì)提取率的影響

蒸餾時(shí)間對(duì)提取率的影響見(jiàn)圖9。

從圖9可看出，蒸餾時(shí)間為2 h時(shí)提取率最高0.18%，隨著蒸餾時(shí)間的增加提取率先升高，但蒸餾達(dá)到一定時(shí)間后，繼續(xù)蒸餾就會(huì)使提取率逐漸降低，這是因?yàn)榻婺┰谝欢l件下水解產(chǎn)生的辛辣風(fēng)味物質(zhì)會(huì)隨著蒸餾時(shí)間的不斷增加發(fā)生降解，從而導(dǎo)致提取率不斷降低[8，11]。

圖9 蒸餾時(shí)間對(duì)提取率的影響

2.2.6 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用五因素四水平進(jìn)行正交設(shè)計(jì)。

實(shí)施方案與測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 實(shí)施方案與測(cè)定結(jié)果

從表4可看出，同時(shí)蒸餾萃取法的提取率為0.098%～0.172%，通過(guò)正交試驗(yàn)極差分析可看出，5個(gè)因素對(duì)芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)的影響大小不同，其中水解時(shí)間影響較大，蒸餾時(shí)間影響最小。同時(shí)蒸餾萃取法提取芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)的提取率明顯高于水蒸氣蒸餾法0.022%～0.055%。因此，同時(shí)蒸餾萃取法提取工藝比水蒸氣蒸餾法更利于芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)的提取[15-16]。

3 結(jié)論

3.1 水蒸氣蒸餾法提取芥末風(fēng)味物質(zhì)

（1）水蒸氣蒸餾法的單因素試驗(yàn)中，3個(gè)因素對(duì)提取率的影響總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，3個(gè)因素各自的最佳提取率分別是原料用量100 g，緩沖溶液體積300 mL，蒸餾時(shí)間2 h。

（2）水蒸氣蒸餾法的正交試驗(yàn)中原料用量、緩沖溶液體積、蒸餾時(shí)間對(duì)芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)都有一定的影響，3個(gè)因素對(duì)提取率的影響大小為緩沖溶液體積〉原料用量〉蒸餾時(shí)間。

3.2 同時(shí)蒸餾萃取法提取芥末風(fēng)味物質(zhì)

（1）同時(shí)蒸餾萃取法的單因素試驗(yàn)中，5個(gè)因素對(duì)提取率的影響整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，但升高與降低的平緩程度不同，5個(gè)因素各自的最高提取率分別為水解時(shí)間2 h，水解溫度60℃，抗壞血酸質(zhì)量濃度10 mg/mL，pH值5，蒸餾時(shí)間2 h。

（2）同時(shí)蒸餾萃取法的正交試驗(yàn)中，水解時(shí)間、水解溫度、pH值、抗壞血酸濃度、蒸餾時(shí)間對(duì)芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)都有一定的影響，5個(gè)因素對(duì)提取率的影響大小為水解時(shí)間〉水解溫度〉pH值〉抗壞血酸濃度〉蒸餾時(shí)間。

（3）同時(shí)蒸餾萃取法的提取率為0.098%～0.172%，提取率明顯高于水蒸氣蒸餾法0.022%～0.055%，蒸餾萃取法比水蒸氣蒸餾法更利于芥末辛辣風(fēng)味物質(zhì)的提取。